温度对星载相机的影响和温控指标的制定

为了克服空间环境剧烈的温度变化,利用有限元模型分析计算了星载三线阵相机在不同温度状态下的镜面面型畸变与筒长变化,并用输出的泽尼克(Zernike)系数表示畸变,将得到的Zernike系数与筒长变化量拟合入CODE V光学设计软件,进一步分析了光学系统在不同温度状态下的调制传递函数(MTF)曲线的下降;结合目标光学参数提出2℃温控指标。针对轴向温差温控指标的各种温度水平制订实验工况,对星载三线阵相机分工况进行热光学实验,测得的实验室静态传递函数都达到或接近目标值0.2,将测得的MTF值和理论分析结果相比较,验证了温控指标与温控手段的合理性。     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一,采用热光学特性分析方法,对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析,通过有限元法分析相机光学系统结构热变形,并去除镜面表面刚体位移,将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合,将拟合结果导入光学设计软件中,对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真,预测环境温度对光学系统成像质量的影响,对光学系统设计具有指导意义。     

基于热光学技术的空间光学系统热设计

为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时,传递函数均超过0．5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。     

大视场红外同心光学系统的设计

研究了同心光学系统的成像特性以及设计方法,分析了厚透镜的成像理论。设计了工作在3．7～4．8μm、视场15°的红外同心光学系统,该系统具有接近衍射极限的成像质量。对红外同心光学系统各个视场的传递函数进行了测试,结果表明该系统具有较好的成像质量,且成像特性和同心光学系统的成像原理是一致的。     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

光电成像系统动态调制传递函数测量装置

在光电成像系统中,动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响,成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研制一种动态调制传递函数测量装置,其中光学准直系统焦距为10 000 mm,运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s,满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究,结果表明,动态调制传递函数测量重复性优于0.01,测量不确定度达到U=0.05（k=2）。     

图像二维运动时的光学传递函数计算

随着空间科学技术的发展,空间遥感,侦察的能力日益提高,对光学成像系统的分辨率的要求也越来越高。但是这种高分辨率成像系统的成像质量要受到机械振动的影响。可用运动光学传递函数来评价存在机械振动的光学系统的成像特性,本文探讨了计算运动光学传递函数的一种新方法－统计矩法,研究了当光学系统所成的像在二维方向上存在的运动时的运动光学传递函数的解析与数值方法。该方法可以计算任何形式的图像运动导致的成像质量的下降,而且可以很方便地应用到一维运动的情况。     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明:利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

热致梯度折射率对非球面光学系统成像质量的影响

机载相机在上升过程中,由于温度降低和镜头各部分材料的导热率大小不同,镜头部分会产生温度梯度,从而导致非球面光学系统产生梯度折射率.利用有限元分析软件对镜头部分进行瞬态热分析以模拟机载相机上升过程中温度的变化情况,将有限元分析不同时间节点温度分布结果导入编写的折射率梯度系数拟合程序,将所求解的梯度折射率系数通过镜面类型接口在光学软件中建立光学系统模型,利用点列图的弥散斑半径评价不同时间节点梯度折射率对成像质量的影响.结果表明,机载相机刚升入工作高度时温度梯度最大,对成像质量影响也最严重,梯度折射率系数随着温度梯度系数的降低而降低,同时成像质量提高,该结果对光学系统的设计具有指导意义.     

Thermal optical path difference analysis of off-axis lens ray trace foot-print

The optical system lens temperature difference will cause optical aberration increase. This study is applying finite element method (FEM) and optical ray tracing; calculate off axis ray thermal optical path difference (OPD). The optical system temperature distribution is calculated from finite element simulation result and weighting temperature to each optical ray path. The simulation result shows off-axis ray major thermal optical aberrations are tilt and piston at this study.     

中波红外制冷型光学系统消热差设计

对比了典型消热差方法的优劣,探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上,根据系统要求的温度范围 60℃～90℃,在常温初始结构的基础上,利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构,运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡,最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑,实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝,光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内,最大离焦量小于1倍焦深,空间分辨率17 lp/mm处,光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74,接近衍射极限,点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。     

大口径光学元件环境热稳定性的有限元分析

 讨论了靶场光学元件在环境热载荷作用下的变形分析理论和数学描述，采用有限元分析软件ANSYS建立了靶场反射镜的模型，用靶场实测环境温度变化作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3 ℃时，垂直镜面方向的变形及其在平行于镜面平面内的转角漂移。结果表明：在当前的温控条件下，光学元件在环境热载荷作用下的变形满足稳定性设计要求。并计算了几种环境温度变化下反射镜的变形和转角漂移。初步的结果表明：环境温度变化与反射镜的转角漂移成正比。     

航空变焦距镜头被动消热设计

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响,设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NXNastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析,利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析,分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03mm。利用泽尼克系数作为数据接口,将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入,仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比,消热设计前镜头在78lp/mm处传递函数值减小约0.2,传递函数值下降了50%,而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

基于热阻网络的大功率LED热管散热研究

LED结温高一直是大功率LED发展的技术瓶颈,随着单位热流密度的不断攀升,在自然冷却条件下,单纯的直肋热沉散热方式已不能满足散热要求。应用热管技术设计了热管散热系统,对该系统的传热机理和传热路线进行分析,建立该系统对应的热网络模型,对各部分热阻进行分析与计算,求得总的理论总热阻,计算得出理论结温;同时应用有限元方法对该系统进行仿真分析,对LED模块（0.025 m0.025 m0.005 m）输入30 W 电功率,得出其仿真结温稳定在58.19℃,满足结温小于65℃的要求,说明应用热管的散热系统满足设计要求。由热阻网络模型计算得出的理论结温为57.43℃,与仿真结果相差0.76℃,其误差仅为1.31％,验证了理论分析计算的正确性,对实际工程中热设计具有指导意义。     

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。